FR2935621A1

FR2935621A1 - Soldering electronic components on printed circuit by reflow using laser holography, comprises irradiating the printed circuit, which is screen printed by solder paste, with light wave surface having a form capable of focusing heat energy

Info

Publication number: FR2935621A1
Application number: FR0804877A
Authority: FR
Inventors: John Sanjay Swamidas
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2008-09-05
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2010-03-12
Anticipated expiration: 2028-09-05
Also published as: FR2935621B1

Abstract

The process of soldering electronic components on a printed circuit (5) by reflow using laser holography, comprises irradiating the printed circuit, which is screen printed by a solder paste, with a light wave surface (4) having a form capable of focusing specific quantities of heat energy only where the welding is necessarily created by a hologram (3) or other diffraction grating when coherent light (2) produced by a laser (1) crosses the hologram or diffraction grating.

Description

La présente invention concerne une nouvelle procédé de brasage par refusion pour souder des composants électroniques sur une circuit imprimé et spécifiquement, à une procédé de brasage par refusion capable de focalisé des quantités précises d'énergie de chaleur uniquement aux endroits où la soudure est nécessaire ainsi rendre possible de réaliser la soudure multipoints sans exposer la carte entière et les composants aux chocs thermiques plus important dues à la chaleur élevées qui peuvent endommager les composants électroniques et la circuit imprimé. The present invention relates to a novel reflow soldering process for soldering electronic components to a printed circuit and specifically to a reflow soldering process capable of focusing precise amounts of heat energy only to those places where soldering is required. make it possible to achieve multi-point welding without exposing the entire board and components to greater heat shock due to high heat that can damage electronic components and PCB.

On constate que ces dernières années la miniaturisation dans l'industrie d'électronique a créé une demande pour les nouvelles techniques en brasage et particulièrement le brasage sans plomb et avec des plus nouveaux alliages sans plomb étant employés comme soudure, les températures plus élevées sont exigées pour effectuer le brasage. Actuellement il y a fondamentalement deux types de technologies utilisés pour souder les composants sur un circuit imprimé. Ce sont les brasage par refusion et brasage à la vague. Le brasage par refusion est utilisé pour souder les composants CMS (Composant monté en surface). Les composants traversants peuvent être aussi braser en utilisant la refusion et en utilisant en plus une technique de préparation spéciale appelée PASTE in HOLE PRINTING La technique actuellement utilisée pour le brasage par refusion s'agit d'abord de sérigraphié le circuit imprimé nu ou les plages du circuit imprimé sont enduits d'une pâte à braser à travers un pochoir métallique (clinquant), c'est-à-dire que seul l'emplacement des terminaisons des composants est enduit. Dans le cas ou il existe aussi des composants traversants, on utilise de plus un technique appelée PASTE in HOLE PRINTING qui s'agit l'impression de pâtes à braser dans des trous en lesquels les broches des composants traversants seront insérés. Ce processus est fait pendant la sérigraphie. Puis les composants sont posés sur le circuit par les machines de placement. Finalement le circuit passe dans un four qui a différentes zones de température afin de chauffer la carte entière et des composants à une certaine température d'une façon commandée afin de fondre la 2935621 -2- pâte déposée pour former la brasure. Dans le processus ci-dessus la carte entière et les composants sont soumis à la température à laquelle la pâte de soudure fond. 5 II y a plusieurs inconvénients utilisant cette technique. La carte entière et les composants sont soumis aux chocs thermiques plus importants dus à la chaleur élevées qui peuvent endommager les composants électroniques et la circuit imprimé. En plus, avec des plus nouveaux alliages sans plomb étant employés comme soudure, les températures plus élevées sont exigées pour 10 fondre la pâte déposée, de ce fait soumettant la carte et les composants aux chocs thermiques plus importants dus à la chaleur encore plus élevées. Des mécanismes de contrôles complexes sont exigés pour maintenir très soigneusement les différentes zones de température également. Ce qui aurait été idéal est de soumettre seulement les points à braser à la 15 température exigée. La technique de brasage à la vague est employée pour souder des mixités des composants CMS (Composant monté en surface) et composants traversants traditionnels. Elle consiste à déposer un point de colle au futurs emplacements des composants CMS (Composant monté en surface) au lieu de sérigraphier les 20 plages. Puis les composants CMS (Composant monté en surface) sont posés sur le circuit par les machines de placement avant de polymériser la colle au four ou en étuve. Cela permet ensuite de placer des composants traditionnels (traversant le circuit imprimé) de l'autre côté de la carte. La soudure se fait ensuite grâce à une vague d'étain en fusion, la carte passant au-dessus : au contact de l'étain et 25 par capillarité les terminaisons des composants CMS et les broches des composants traversants sont soudées sur le circuit. Ici encore dans ce processus, la carte entière avec ses composants est baignée en soudure et exposée ainsi aux chocs thermiques plus importants dus à la chaleur élevées qui peuvent endommager les composants électroniques et le 30 circuit imprimé. Ce qui aurait été idéal est de soumettre seulement les points à braser à la température exigée. In recent years, miniaturization in the electronics industry has created a demand for new brazing techniques, particularly lead-free brazing, and with newer lead-free alloys being used as solder, higher temperatures are required. to carry out the brazing. Currently there are basically two types of technologies used to solder components on a circuit board. These are soldering by reflow and wave soldering. Reflow soldering is used to weld SMD (Surface Mounted Component) components. The through components can also be brazed using reflow and using in addition a special preparation technique called PASTE in HOLE PRINTING The technique currently used for reflow soldering is first screened the bare circuit board or the beaches of the printed circuit are coated with a solder paste through a metal stencil (foil), that is to say that only the location of the terminations of the components is coated. In the case where there are also through components, we also use a technique called PASTE in HOLE PRINTING which is the printing of solder paste in holes in which the pins of the through components will be inserted. This process is done during screen printing. Then the components are put on the circuit by the placement machines. Finally, the circuit passes into an oven that has different temperature zones to heat the entire board and components to a certain temperature in a controlled manner to melt the deposited paste to form the solder. In the process above the entire board and components are subjected to the temperature at which the solder paste melts. There are several disadvantages using this technique. The entire board and components are subject to greater thermal shock due to high heat that can damage the electronic components and the PCB. In addition, with newer lead-free alloys being used as a solder, higher temperatures are required to melt the deposited paste, thus subjecting the board and components to greater thermal shock due to even higher heat. Complex control mechanisms are required to maintain very carefully the different temperature zones as well. What would have been ideal is to subject only the soldering points to the required temperature. The wave soldering technique is used to weld mixes of SMD (Surface Mounted Component) and traditional through components. It consists of depositing a dot of glue in the future locations of the SMD (Surface Mounted Component) components instead of screen printing the 20 tracks. Then the SMD components (surface mounted component) are placed on the circuit by the placement machines before polymerizing the adhesive in the oven or in an oven. This then allows you to place traditional components (crossing the PCB) on the other side of the board. The welding is then done by a wave of molten tin, the board passing over: in contact with the tin and 25 by capillarity the terminations of the SMD components and the pins of the through components are soldered to the circuit. Here again in this process, the entire board with its components is bathed in solder and thus exposed to greater thermal shock due to high heat which can damage the electronic components and the printed circuit. What would have been ideal is to subject only the soldering points to the required temperature.

La procédé inventé nous permet de réaliser ceci et à une vitesse beaucoup plus rapide. Il comporte en effet selon une première caractéristique d'irradier le circuit imprimé déjà serigraphié de la pâte de brasage et ses composants avec une surface d'ondes de lumière ayant une forme capables de focalisé des quantités précises d'énergie de chaleur uniquement aux endroits où la soudure est nécessaire. Cette surface d'ondes de lumière est crée par un hologramme ou toutes autres réseau de diffraction lorsque lumière cohérente produit par un laser traverse l'hologramme ou toutes autres réseau de diffraction. Ainsi des quantités précises d'énergie de chaleur sont focalisées uniquement aux endroits où la soudure est nécessaire pour braser les composants sans exposer la carte entière et les composants aux chocs thermiques plus importants dus à la chaleur élevées qui peuvent endommager les composants électroniques et le circuit imprimé. The invented process allows us to achieve this and at a much faster speed. According to a first characteristic, it comprises irradiating the already screen printed circuit of the brazing paste and its components with a light wave surface having a shape capable of focusing precise amounts of heat energy only in the places where welding is necessary. This light wave surface is created by a hologram or any other diffraction grating when coherent light produced by a laser passes through the hologram or any other diffraction grating. Thus precise amounts of heat energy are focused only where solder is needed to solder the components without exposing the entire board and components to greater thermal shock due to high heat that can damage the electronic components and the circuit. printed.

Les dessins annexés illustrent l'invention : La figure 1 représente le procédé(50) inventé. La figure se compose de 1. Module de laser 2. Lumière cohérente 3. Hologramme 4. Surface d'onde de la lumière après diffraction 5. Circuit imprimé déjà serigraphié avec pâtes de brasage, et ses composants The accompanying drawings illustrate the invention: Figure 1 shows the process (50) invented. The figure consists of 1. Laser module 2. Coherent light 3. Hologram 4. Wave surface of the light after diffraction 5. Printed circuit board already printed with solder paste, and its components

La figure 2 représente comment une nouvelle machine(40) peut être conçu pour appliquer le procédé(50). La figure se compose de 21.Cheminée pour extraire fumées 22.Module de laser avec module de refroidissement 23 indication d'opération de la machine 24. Hologramme 25. Circuit imprimé déjà serigraphié avec pâte de brasage, et avec composants 26. Mécanisme de convoyeur 27. Ventilateur d'aspiration 28. Ventilateur d'aspiration 29. Supports de machine 30. Sonde de positionnement de circuit imprimé 31.Sonde de positionnement de circuit imprimé30 En référence à figure 1 le procédé(50) inventé se compose d'irradier le circuit imprimé(5) déjà serigraphié avec pâtes de brasage et ses composants avec une surface d'ondes(4) de lumière ayant une forme capables de focalisé des quantités précises d'énergie de chaleur uniquement aux endroits où la soudure est nécessaire. Cette surface d'ondes(4) de lumière est créé par un hologramme(3) ou toute autre réseau de diffraction(3) lorsque lumière cohérente(2) produit par un laser(1) traverse l'hologramme(3) ou toute autres réseau de diffraction(3). Figure 2 shows how a new machine (40) can be designed to apply the method (50). The figure consists of 21.Fireplace to extract fumes 22.Laser module with cooling module 23 operation indication of the machine 24. Hologram 25. Printed circuit already screen printed with solder paste, and with components 26. Conveyor mechanism 27. Suction fan 28. Suction fan 29. Machine supports 30. Printed circuit positioning probe 31. Printed circuit positioning probe 30 Referring to Fig. 1 the invented process (50) consists of irradiating the printed circuit board (5) already screen printed with brazing pastes and its components with a light wave surface (4) having a shape capable of focusing precise amounts of heat energy only at the places where welding is required. This wave surface (4) of light is created by a hologram (3) or any other diffraction grating (3) when coherent light (2) produced by a laser (1) passes through the hologram (3) or any other diffraction grating (3).

- L'hologramme peut être créé en traitant numériquement le fichier de Gerber de circuit imprimé pour obtenir un pattern de franges d'interférences synthétisé par l'ordinateur. Un élément d'information important pour l'ordinateur pour effectuer la synthèse est de longueur d'onde du laser utilisé. - Les algorithmes couramment utilisé pour synthétiser les hologrammes sont la méthode de Fresnel et la méthode du Fourier. - La résolution de l'hologramme doit être suffisante pour avoir une meilleure précision. Une résolution de plus de 5000 lignes/mm est recommandée. - Le matériel pour synthétiser l'hologramme peut être un transparent résistant à la chaleur. Le pattern de franges d'interférences peut être imprimé en utilisant une imprimante Laser conçu pour les Transparents. - Le hologramme est placé entre le circuit imprimé et la source de la lumière cohérente sur un support transparent. - La distance entre le circuit imprimé et l'hologramme doit être facilement réglable pour pouvoir focaliser la surface d'onde. - Le source de la lumière cohérente peut être un laser. - Le laser peut avoir une longueur d'onde du 532nm à 980nm. - Le puissance du laser doit être suffisante pour fondre la pâte de brasage. Il a 30 normalement plus de 30 Watts de puissance. - The hologram can be created by digitally processing the circuit board Gerber file to obtain a pattern of interference fringes synthesized by the computer. An important piece of information for the computer to perform the synthesis is the wavelength of the laser used. - The algorithms commonly used to synthesize holograms are the Fresnel method and the Fourier method. - The resolution of the hologram must be sufficient to have a better accuracy. A resolution of more than 5000 lines / mm is recommended. - The material for synthesizing the hologram can be a heat-resistant transparency. The interference fringe pattern can be printed using a Laser printer designed for Transparencies. - The hologram is placed between the printed circuit and the source of coherent light on a transparent support. - The distance between the circuit board and the hologram must be easily adjustable to focus the wave surface. - The source of coherent light can be a laser. - The laser can have a wavelength of 532nm to 980nm. - The power of the laser must be sufficient to melt the brazing paste. It normally has more than 30 watts of power.

En référence à figure 2 le dispositif montre comment on peut réaliser un machine pour appliquer le procédé(50) .En effet le dispositif comporte une machine de brasage par refusion par laser holographie(40) pour mettre en application le processus(50) montré dans la figure 1. La machine(40) se compose d'un module de laser plus un module de refroidissement(22) qui produisent de la lumière cohérente qui traverse l'hologramme(24) pour créer un surface d'ondes de lumière qui irradie la circuit imprimé et ses composants(25) chauffant avec précision seulement les endroits désirés où le soudage est nécessaire. La surface d'ondes de lumière est créée quand la lumière cohérente aux longueurs d'onde de 532nm à 980nm qui est produit par le module de laser(22) traverse l'hologramme(24). La machine se compose également d'un mécanisme de convoyeur (26) pour positionner le circuit imprimé en utilisant des sondes de position de carte (30)(31). Le Module de Hologramme (24) entière peuvent être ajustées dans les directions verticales et les directions horizontales en emploient les moteurs linéaires qui utilisent aussi les sondes(30)(31) . Pendant les processus de soudure des vapeurs sont émis qui traversent la cheminée aux vapeurs (21) par la convection aidée par les ventilateurs d'aspiration (27) (28). L'indicateur d'opération de machine (23) permet à l'opérateur de savoir le statut de la machine pour la sûreté et sécurité. Plusieurs Supports(29) sont fournis pour stabiliser la machine(40) tandis qu'elle fonctionne. With reference to FIG. 2, the device shows how a machine can be made to apply the method (50). Indeed, the device comprises a holographic laser reflow soldering machine (40) for implementing the process (50) shown in FIG. Figure 1. The machine (40) consists of a laser module plus a cooling module (22) that produce coherent light that passes through the hologram (24) to create a light wave surface that irradiates the printed circuit and its components (25) accurately heat only the desired locations where welding is required. The light wave surface is created when the coherent light at wavelengths of 532nm to 980nm that is produced by the laser module (22) passes through the hologram (24). The machine also comprises a conveyor mechanism (26) for positioning the printed circuit using card position sensors (30) (31). The entire Hologram Module (24) can be adjusted in the vertical directions and the horizontal directions by using the linear motors which also use the probes (30) (31). During the welding process, vapors are emitted which pass through the vapor chimney (21) by convection assisted by the suction fans (27) (28). The machine operation indicator (23) allows the operator to know the status of the machine for safety and security. A plurality of carriers (29) are provided to stabilize the machine (40) while it is operating.

Le procédé(50) inventé comme indiqué dans la figure 1 nous permettent de réaliser le brasage multipoint des composants sans endommager les composants 25 et sans endommager le circuit imprimé (25). Le procédé(50) inventé comme indiqué dans la figure 1 est beaucoup plus rapide qu'une machine de brasage au laser automatique ou robotique car les robots laser font les brasages broche par broche. On peut donc réaliser les applications a l'échelle industrielle.The method (50) invented as shown in FIG. 1 allows us to perform multipoint soldering of the components without damaging the components 25 and without damaging the printed circuit (25). The process (50) invented as shown in FIG. 1 is much faster than an automatic or robotic laser brazing machine because the laser robots make the soldering pin by pin. We can therefore realize applications on an industrial scale.

30 Le procédé(50) inventé comme indiqué dans la figure 1 nous permet d'employer les alliages sans plomb qui ont les températures de fusion très élevée ainsi rendre possible la fabrication électronique sans plomb et d'autres substances dangereuses une réalité totale. The process (50) invented as shown in FIG. 1 allows us to employ lead-free alloys which have very high melting temperatures thereby making lead-free electronic fabrication and other hazardous substances possible a total reality.

Claims

CLAIMS1) Method (50) for brazing electronic components on a reflow printed circuit characterized by the use of laser holography in which the printed circuit (5) already screen-printed with brazing paste is irradiated with a wave surface (4) light having a shape capable of focussing precise amounts of heat energy only at the places where the soldering is necessary created by a hologram (3) or any other diffraction grating (3) when coherent light (2) produced by a laser (1) passes through the hologram (3) or any other diffraction grating (3).